以提高反铲挖掘机的最大挖掘高度为优化目标,提出以叶片式液压摆动油缸取代斗杆直线油缸驱动挖掘机的新方案。首先参考某种挖掘机的相关参数,采用SolidWorks建立了传统挖掘机和新型挖掘机的三维模型,通过ADAMS进行运动学仿真,获得挖掘机运动轨迹包络图、铲斗斗齿位移曲线,确定了最大挖掘高度、最大挖掘半径。通过对比,表明了新方案可极大提高最大挖掘高度,验证了这种方案的可行性,为相关研究者提供一种新思路。

为了设计能自动绕障的无碳小车,建立了曲柄摇杆转向机构的数学模型,采用MATLAB进行小车轨迹模拟,发现转向机构的初始参数不尽合理。采用CAD模拟与数值分析相结合的方法,对转向机构参数进行了优化,最终设计出较优的曲柄摇杆转向机构,在此基础上设计、制作了无碳小车,取得了良好效果。

建立矩形截面叶片密封的接触压力数值模型,研究预压缩量对密封面接触压力的影响。分析结果表明,叶片密封的密封面接触压力随预压缩量的增加而增大,但不同方向的预压缩量对接触压力的增大效果并不相同。在本研究条件下,y向预压缩量导致的最大接触压力增长梯度明显大于z向预压缩量导致的最大接触压力增长梯度,要提密封面的接触压力,增大y向预压缩量效果更为明显。

为更准确地分析叶片式液压摆动油缸叶片密封面的润滑性能,利用弹性力学平面问题的基本理论建立叶片密封面接触压力数学模型并求得压力在接触面上的分布情况,然后基于瞬态平均Reynolds方程与G-W微凸体接触模型,建立叶片密封面流体动压润滑模型,分析叶片粗糙度对密封面接触压力、油膜厚度分布和摩擦力的影响。结果表明,叶片表面粗糙度增大时,密封面油膜厚度没有明显变化,但摩擦力明显增大。

为降低制造与维护成本,选用标准规格的O型圈作为叶片式液压摆动油缸盖板静态密封,并对密封圈沟槽结构与尺寸进行优化,以保证静态密封能防止外部和内部泄漏。通过解析计算,初步确定密封沟槽尺寸;建立盖板静态密封的有限元模型,进行三重非线性有限元分析,模拟盖板安装到定子上的过程中O型圈的变形及应力分布。盖板静态密封的有限元优化设计基本达到预期目标。

以叶片式液压摆动油缸(以下简称摆缸)作为液压机械臂的驱动关节具有诸多优势。以提高机械臂的负重比为目标,对摆缸关节进行了轻量化设计。建立了优化设计数学模型,进行了优化算法及惩罚函数法分析。结合实例对摆缸的各个参数进行了优化,得到了所需转矩为63kN·m,叶片数为2,系统总效率为0.9时的摆缸参数优化结果。对结果进行了分析,得到了所需转矩与摆缸质量的关系曲线,摆缸质量与所需转矩、叶片长度的关系曲面,以及所需转矩与多个优化目标的关系曲线。建立了摆缸三维模型,采用有限元法对优化结果进行了验证,并证实了优化结果的合理性和正确性。

液压锤工作环境非常恶劣，其中活塞是受力状况最为复杂、最容易失效的零件之一。研究了液压锤活塞在工作状态下的受力状况，建立了活塞加速行程的力学模型，获得了活塞撞击钎杆前的初始运动条件；应用有限元技术对活塞撞击钎杆的过程进行了刚柔体运动、非线性接触碰撞仿真，获得了活塞的应力云图及其关键点在撞击过程的应力变化曲线。分析表明，活塞撞击钎杆的持续时间非常短暂，冲击应力非常大，导致端部存在局部应力超出材料屈服极限。为了避免活塞因端面不均衡塑性变形而导致端部边缘破损、端面与轴线垂直度破坏等情况发生，需要对活塞端部结构进行改进。该分析结果已应用于某型液压锤设计，为提高活塞的使用寿命提供了技术指导。

为了将矩形橡胶密封圈应用于叶片式液压摆动油缸的旋转密封，利用大型有限元软件ABAQUS，求解矩形密封圈在配合挡圈使用前后，不同介质压力和预压缩量下应力与接触面压力分布情况；探讨相应的接触压力与介质压力、预压缩量的关系；并利用MATLAB绘制了分析结果曲线图。结果表明：矩形密封圈的最大范·米塞斯应力随预压缩量和介质压力的增长呈线性增长，随密封间隙的增加呈指数增长；矩形密封圈配合挡圈使用既能保证密封能力，又可以明显优化其内部的应力分布情况，防止密封挤出，延长密封圈的使用寿命。

针对传统机械臂输出转矩较小的问题,设计了基于叶片式液压摆动油缸(摆缸)作为关节的6自由度液压机械臂,该液压机械臂具有诸多优势,其最大的优点是具有很高的负重比。运用改进的D-H法建立了该液压机械臂的运动学模型,得出其正运动学方程。在MATLAB中进行了液压机械臂的轨迹规划仿真,得到了各关节转角的特性曲线,验证了液压机械臂结构设计的合理性。利用蒙特卡洛法分析计算了其工作空间,借助MATLAB绘制了其末端执行器的工作空间云图,为今后液压机械臂的深入研究提供了重要依据。

叶片式液压摆动油缸具有结构紧凑、机械效率高、转矩输出平稳、操控性好、便于隔离外部灰尘等优点叶片的结构参数对定子乃至整个摆动油缸的体积、重量有极大的影响。综合分析了叶片结构优化的约束条件考虑到作用在叶片上的液压力产生的转矩应大于所需转矩将摆动油缸的定子视为单层内压圆筒形压力容器在满足转子和定子强度条件的前提下以定子和摆动油缸质量最轻为优化目标建立了矩形叶片的结构优化模型结合实例进行了叶片结构优化。本优化模型有助于进行叶片式摆动液压油缸的结构设计与优化。